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Pentacene-Based Organic
Thin-Film Transistor
특성향상에 대한 연구
목차


서론
Pentacene TFT 의
현재 연구방향
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

전계이동도 ( u; ㎠ /V s )의 향상
누설전류의 감소
구동전압의 감소
구조적인 변경을 통한 특성향상
앞으로의 연구과제
결론
서론


1977 유기고분자(폴리아세틸렌) – 금속의 전기전도도 – 유기반도체
왜 OTFT(organic thin-film transistor) ?
• flexible, low cost, low temperature process, various substrate
• Display devices, smart cards, inventory tag, large-area sensor array.

a-Si TFT vs OTFT
• a-Si TFT(u=1.0) > OTFT(u=?) : 유기반도체 박막 자체의 작은 전도성

유기반도체 물질
• 폴리아세틸렌, 펜타신, 티오펜 올리고머


펜타신-단분자,박막상태에서 분자정렬 양호, 높은 이동도
Pentacene 기반의 유기반도체 특성/실험 – 논문
Pentacene TFT 현재연구방향

OTFT 성능평가 parameter
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•
전계이동도(u; ㎠ /V s ) – 단위전계(1V/s)에 의해
이동거리
각종 산란요소,경계에 있는 전하들의 산란이 가장
큼
 1. 새로운 유기물의 개발
 2. 소스와 드레인을 긴사슬의 고분자로 바로
연결
• 소스/드레인 간격 nm 크기 – 간단한 공정
과 대치
 3. 분자배열을 조절하여 이동도 향상
문턱전압 (Vth)-게이트와 유기반도체 일함수 차이
insulator내부전하, 계면전하에 의해 결정,게이트표
면처리방식
Sub-threshold slope(SS; V/dec)-전류10배증가
에 필요한 Vg 크기
gate의 유기반도체 계면의 제어능력을 의미
전류점멸비(I on/off)
전계이동도의 향상(1)

Insulator 에서의 표면처리 효과
•
•

O2 plasma – 0.6 / OTS 처리 – 1.6
A.P.L 81, 2,2002, Jar B. Bensiger
Pentacene 증착방법의 차이
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•
Thermal is the fastest ways
IEEE Electron Dev. 44.8.1997 T.N Jackson
Advanced matermal 10,5,1998 G.Howowitz
(유기반도체 증착을 6가지 방법-이동도측정)
Pentacene deposition rate 차이


•
동일 depo rate 에서의 sub 온도차이


양의 상관관계 (APL 81,24,2002. Seongil.Im)
음의 상관관계 (IEEE Elec,Dev.Let 18.3.1997)
Bell lab journal
Pentacene 의 ordering
•
•
•
Inorganic(SiO2) – organic(PVA,PVP,PI등) – 액정
X//x – chem.materal,13,2001 X.linda 0.25/0.006
X//y – APL 79,9,2001. M.L.Swiggers
전계이동도의 향상(2)


W/L 조성비의 변화(fringe effect outside channel)
Pentacene(100nm), gold(150nm),SiO2(100nm)
Depo (5*10^-6 torr)
연세대학교 황정남 교수팀
w/L -1
2
4
8
u
0.45
0.28
0.26
0.14
On/off
10^-6
10^-6
10^-6
10^-6
Saturation 에서 전류값이 비슷

IIBM J. Res & Dev, 45,1 C.D.Dimitrakpoulos
•

W/L is 10 or higher in order to minimize the
effects of such currents;otherwise the mobility is
overestimated
이동도측정 – time of flight 방식(이창희교수님)
누설전류의 감소



누설전류 – 전류점멸비에 영향
누설전류 – 소스/드레인 전극접촉저항(작을
수록), 채널저항 (클수록)
Off 상태에서 전류(작을수록) – 유기반도체
두께 작을수록, insulator 작을수록
•

Advanced Material 10,5,1998
Gilles.Horowitz
Insulator 구성
•
•
Organic + organic/organic+
inorganic/inorganic+organic/inorganic+inor
ganic
Ring 구조 – IEEE Trans.Electron Devices
46,6,1258,1999 T.N Jackson


기존구조 – 위로 쌓아 올라가는 방식(10^-7)
Ring 구조 – 중심으로 파고들어가는 방식(-9)
Ain/Ai203 + PI
구동전압의 감소



Gate/drain 전압 very high – 전력소모 큼
Gate/drain voltage - <-4volt> 가능
• Science 283,5, 1999, J.M.Shaw
• Insulator에 높은 유전상수/얇게
• BZT(Barium Zirconate titanate)
 Ar/O2 gas, 2.5*10^-3 toff, RT
• BaTiO3, Ta2O5, SrTiO3 현재사용되는 물질
 단점 : CVD 방식의 증착( not spin
coatong)
Pentacene의 두께 조절로 Vt의 영향
• Insulator – PVA 사용 (120nm)
drain
• Ts의 값이 커질수록 Vt의 값 증가(얇을수록
source
good)
Pentacene ts
• 전계이동도의 변화도 관찰 ( 얇을수록 good)
Insulator - ti
• APL 83,15,3201 R.Schroeden
glass
gate
구조적인 변경을 통한 향상(1)

Simplified device
•
•
•
•
•

Source/drain/gate 한번에
Ots 처리후 – 0.6의 이동도
전류점멸비 10^7
But off 상태 전류 증가
APL 76.13.27 T.N. Jackson
Double pentacene layer
• 이동도 1.5/ on/off 10^8
Vt~0, ss~1.6V/dec
• 고온층-pentacene 분자의
ordering/분자사이 void 발생
/carrier transport에 minus
• 저온층-void 막아줌/film
continuity 향상/이동도영향
• IEEE Elec.Dev.Lett 18.12
T.N.Jackson
구조적인 변경을 통한 향상(2)

Top/bottom contact
• Top contact > bottom contact (sat region) 40배의 전류


Thin Soilid Films 420-421 2002 Sengil Im
Why? Gate insulator가 접촉하는 area차이
• Top contact < bottom contact


Journal of Applied Physics 88,11,2000 T.N.Jackson
소수의 연구가
source
drain
pentacene
insulator
Top contact
bottom contact
앞으로의 연구과제
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

OTFT 는 전세계적, 수많은 연구그룹에 의해
연구되고 있슴
그러나 각 현상마다 상반되는 견해가 존재 –
OTFT 의 BIBLE ??
현재 진행중인,진행예정 실험
• Current 흐름(x)과 pentacene 분자의 정렬방향
• 친수성 insulator위의 pentacene (PVA)
소수성 insulator위의 pentacene(PI계열)
두경우의 pentacene morphology비교 및 측정
• Edge effect reducing model by multimodain
• Rubbing의 속도와 강도에 의한 pentacene
분자들의 ordering 정도
• Double gate 사용으로 mobility 증가
z
??
y
x
결론
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




OTFT 는 유기물 의 특성을 활용Si기반에서 불가능 – 가능
현재 이동도는 2 ㎠ /V s , on/off
ratio 10^8 >a-Si TFT
상반되는 연구결과 – 정확한 주장
존재하지 않음
1도, 두께 1Å ,물질에 따라 각기
다른 결과가 도출
세계 여러연구그룹을 background
하여 새로운 독창적인 분야에
대한 연구가 요구
OTFT 의 표면에서 분자의 배열을
control 혹은 관찰
< The characteristic of field effect mobility
fabricated on plastic substrate >
<2002년 ETRI의 공식 발표자료>